KR101580068B1 - 차량용 보조 전원 장치 - Google Patents

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Abstract

전기차에 탑재되어, 입력된 직류 전압을 소망한 삼상 교류 전압으로 변환하여 부하에 인가하는 삼상 인버터를 구비하는 차량용 보조 전원 장치에 있어서, 삼상 인버터의 각 출력단에 접속되는 필터 리액터, 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되지 않은 필터 콘덴서, 및 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되는 1차 코일 및 Δ형으로 결선되는 2차 코일을 구비하는 삼상 트랜스를 구비한다.

Description

차량용 보조 전원 장치{AUXILIARY POWER SOURCE DEVICE FOR VEHICLE}
본 발명은 전기차에 탑재되어, 전기차에 탑재되는 부하에 소망한 전력을 공급하는 차량용 보조 전원 장치에 관한 것이다.
종래의 차량용 보조 전원 장치로서, 예를 들면 하기 특허 문헌 1에 제시된 차량용 보조 전원 장치에서는, 교류 가선으로부터의 교류 입력을 변압하여 출력하는 주변압기의 출력단에 PWM 컨버터가 접속되고, PWM 컨버터의 출력단에 삼상 인버터가 접속되는 구성에 있어서, 삼상 인버터의 출력단에는, 삼상 인버터의 출력전압에 포함되는 고조파(高調波) 성분을 제거하기 위한 필터 회로를 구비하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 상기 필터 회로는, 일단(一端)이 삼상(三相) 인버터의 출력단에 접속되고, 타단(他端)이 삼상 부하에 접속되도록 삼상 인버터와 삼상 부하의 사이를 연결하는 삼상 출력선에 각각 삽입되는 3개의 교류 리액터(reactor)와, 각 교류 리액터의 타단 측에 위치하는 삼상 출력선으로부터 각각이 인출되어서 Y형으로 접속되고, Y형 결선(結線)의 중성점(中性点)이 되는 타단끼리의 접속점이 접지되는 3개의 필터 콘덴서를 구비하여 구성되어 있다.
특허 문헌 1: 일본국 특허 제4391339호 공보
상기 특허 문헌 1과 같이, 삼상 인버터의 출력단(이하, 특히 특정하지 않는 한 「삼상 인버터의 출력단」을 간단하게 「출력단」이라고 함)에 삼상 변압기가 마련되지 않은 삼상 전력 변환 장치에 있어서, 부하로서 삼상 부하를 접속했을 경우, 필터 콘덴서에는 삼상 부하에 있어서의 각 상 전류(相電流)간의 전류차에 상당하는 전류(이하 「불평형(不平衡) 전류」라고 함)가 흐른다. 이 때문에, 부하로서 삼상 부하를 상정했을 경우, 필터 콘덴서에 요구되는 사양은, 불평형 전류의 최대치를 상정하는 것으로 충분했다.
한편, 차량용 보조 전원 장치의 경우, 삼상 부하에 더하여 단상 부하의 접속 요구도 있다. 여기서, 단상 부하를 삼상 출력선의 각 상간(U－N간, V－N간, W－N간)에 접속했을 경우, 필터 콘덴서의 삼상 중성점이 접지되어 있으면, 단상 부하 용량만큼의 전류가 모두 필터 콘덴서에 유입되게 된다. 즉, 필터 콘덴서의 삼상 중성점을 접지하는 구성에 있어서 부하에 단상 부하를 접속했을 경우, 필터 기능에 더하여 출력단의 접지 기능을 담당하는 필터 콘덴서에 대해, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능을 강요하게 되어, 필터 콘덴서의 비용 상승, 사이즈 상승으로 이어진다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 필터 기능을 담당하는 필터 콘덴서에 대해, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능을 강요하지 않는 차량용 보조 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 전기차에 탑재되어, 입력된 직류 전압을 소망한 삼상 교류 전압으로 변환하여 부하에 인가하는 삼상 인버터를 구비하는 차량용 보조 전원 장치에 있어서, 상기 삼상 인버터의 각 출력단에 접속되는 필터 리액터와, 상기 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되지 않은 필터 콘덴서와, 상기 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되는 1차 코일, 및 Δ형으로 결선되는 2차 코일을 구비하는 삼상 트랜스를 구비한 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 필터 기능을 담당하는 필터 콘덴서에 대해, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능을 강요하지 않는다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 삼상 인버터에 단상 부하를 접속하는 경우의 종래 기술에 따른 일반적인 접속 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 입력 회로의 변형예(variation)의 일례(교류 가선의 경우)를 나타내는 도면이다.
도 5는 입력 회로의 변형예에 따른 도 4와는 다른 일례(교류 가선의 경우)를 나타내는 도면이다.
도 6은 입력 회로의 변형예에 따른 도 4, 5와는 다른 일례(직류 가선의 경우)를 나타내는 도면이다.
이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 제시하는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시 형태)
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치(1)는 전기차에 탑재되고, 그 출력단에는 단상(單相) 부하(8)가 접속 가능하게 구성된다. 이 차량용 보조 전원 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 입력 회로(2), 삼상 인버터(3), 필터 리액터(5), 필터 콘덴서(6), 및 삼상 트랜스(7)를 가지고 구성된다. 또한, 도 1에서는 도시하고 있지 않지만, 차량용 보조 전원 장치(1)의 출력단에는 삼상 부하가 접속되기도 한다.
입력 회로(2)의 일단은 집전 장치(11)를 통하여 가선(10)에 접속되고, 타단은 차륜(13)을 통하여 대지 전위와 동 전위에 있는 레일(12)에 접속된다. 가선(10)으로부터 공급되는 직류 전력 또는 교류 전력은, 집전 장치(11)를 통하여 입력 회로(2)의 일단에 입력되고, 입력 회로(2)의 출력단에 생긴 전력(직류 전압)이 삼상 인버터(3)에 입력(인가)된다.
삼상 인버터(3)는, 입력 회로(2)의 출력단에 마련되고, 입력 회로(2)로부터 인가된 직류 전압을 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전압으로 변환하여 출력한다.
필터 리액터(5)는, 일단이 삼상 인버터(3)의 출력단에 접속되고, 타단이 단상 부하(8)에 접속되도록 삼상 인버터(3)와 단상 부하(8)의 사이를 연결하는 삼상 출력선(4)에 각각 삽입되는 3개의 리액터를 가지고 이루어진다. 필터 콘덴서(6)는, 각 일단끼리가 접속되고, 각 타단이 필터 리액터(5)의 타단측(부하측)에 위치하는 삼상 출력선(4) 중 어느 상(相)에 접속되어서 Y형으로 결선되는 3개의 콘덴서를 가지고 이루어진다. 또한, 이러한 필터 리액터(5) 및 필터 콘덴서(6)는, 쌍방의 작용에 의해서 필터 회로로서 기능한다.
삼상 트랜스(7)는 1차 코일(7a1~7a3) 및 2차 코일(7b1~7b3)을 가지고 구성된다. 1차 코일(7a1~7a3)의 각 일단은, 필터 콘덴서(6)의 각 타단과 마찬가지로 필터 리액터(5)의 타단 측에 위치하는 삼상 출력선(4) 중 어느 상에 접속됨과 아울러, 1차 코일(7a1~7a3)의 각 타단끼리가 접속되어서 Y형으로 결선된다. 한편, 2차 코일(7b1~7b3)은, 인접하는 코일끼리가 접속되어서 Δ형으로 결선된다. 이와 같이, 삼상 트랜스(7)는, 이른바 Y－Δ 결선으로 구성되는 삼상 트랜스이다.
또, 이 삼상 트랜스(7)에 있어서, Y형으로 결선된 1차 코일(7a1~7a3)의 각 타단끼리는 대지 전위에 접지된다. 마찬가지로, Δ형으로 결선된 2차 코일(7b1~7b3) 중 어느 2개의 2차 코일끼리의 접속단(도 1의 예에서는, 2차 코일(7b1)의 일단과 2차 코일(7b3)의 타단의 접속단)도 접속선(9)을 통해서 대지 전위에 접지된다. 또한, 2차 코일을 접지하는 것은, 2차 코일의 전위를 고정하기 위함이다. 따라서 2차 코일의 전위가 동작상 안정되어 있는 경우에는, 접속선(9)을 통해서 대지 전위에 접지할 필요는 없고, 2차 코일이 플로팅 상태(floating state)에 있어도 상관없다.
다음으로, 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치의 동작에 대해서 설명하지만, 여기에서는 먼저, 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치가 매우 뛰어난 효과를 가지는 것의 대비로서, 종래 기술에 따른 동작에 대해서 설명한다.
도 2는 삼상 인버터에 단상 부하를 접속하는 경우의 종래 기술에 따른 일반적인 접속 구성을 나타내는 도면이다. 도 2에 있어서, 삼상 인버터(3)의 출력측에 필터 리액터(5)를 접속하고, 필터 리액터(5)의 출력측에 중성점을 접지한 Y 결선의 필터 콘덴서(107)를 접속하는 구성은, 상기 특허 문헌 1에 제시된 것과 같이 차량용 보조 전원 장치의 일반적인 구성이다. 이 구성의 차량용 보조 전원 장치에 단상 부하(108)를 접속하는 경우, 일단측을 삼상 출력선(104)의 각 상에 접속함과 아울러, 타단측끼리는 접속되어, 접속선(109)을 통해서 대지 전위에 접지한다. 또한, 단상 부하(108)를 접지하는 것은, 단상 부하(108)의 일단의 전위를 대지 전위로 고정하기 위함이다. 단상 부하(108)의 일단의 전위를 고정함으로써, 단상 부하(108) 자신의 절연 설계나 내압 설계가 매우 용이하게 된다.
여기서, 도 2와 같이 구성된 차량용 보조 전원 장치에 있어서, 단상 부하(108)에 불평형 전류가 흐르는 경우를 상정한다. 이 불평형 전류는, 도시와 같이 전단상(全單相) 부하 전류 IA로서, 접속선(109)에 흐른다. 한편, 도 2의 구성에서는, 중성점 접지를 담당하는 필터 콘덴서(107)의 각 콘덴서에 흐르는 전류는 위상이 다르기 때문에, 단상 부하 전류(U－N, V－N, W－N간의 각 상 전류)가 중성점 접지를 담당하는 필터 콘덴서(107)에 흐르게 된다. 즉, U상에 접속되는 콘덴서(이하 「U상 콘덴서」라고 칭함, 다른 것도 동일함)에 흐르는 전류 ICu는 단상 부하 U상 전류와 같고, 이하, V상 콘덴서에 흐르는 전류 ICｖ는 단상 부하 V상 전류와 같고, W상 콘덴서에 흐르는 전류 ICw는 단상 부하 W상 전류와 같다.
이와 같이, 종래 기술의 구성에서는, 「발명이 해결하려고 하는 과제」의 항에서도 설명한 것처럼, 출력단의 접지 기능을 담당하는 필터 콘덴서에는, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능의 것이 필요하게 되어, 필터 콘덴서의 비용 상승, 사이즈 상승으로 이어지고 있었다.
도 3은 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치의 동작을 설명하는 도면이며, 동작 설명에 필요한 전류 및 전압을 도 1의 구성도 상에 부가하는 형태로 나타내고 있다. 도 3에 있어서, 불평형 전류인 전단상 부하 전류 IA는, 도 2의 경우와 마찬가지로 접속선(20)에 흐른다. 그렇지만, 본 실시 형태와 같이, 출력단의 접지 기능을 담당하는 회로부로서, Y－Δ 결선의 삼상 트랜스(7)를 마련했을 경우, Δ 결선된 삼상 트랜스(7)의 각 2차 코일에 흐르는 전류 Izu2, Izｖ2, Izw2는, 결선 내에서 클로즈(close)된다. 이 때문에, 이들 전류 Izu2, Izｖ2, Izw2는, 모두가 동상(同相) 또한 동일한 전류가 된다. 그 결과, Y 결선된 1차측의 각 1차 코일에 흐르는 전류 Izu1, Izｖ1, Izw1도, 이들 간에는 모두가 동상 또한 동일한 전류가 된다. 따라서 출력단의 접지 기능을 담당하는 삼상 트랜스(7)에는, 전단상 부하 전류 IA에 의한 전류분만이 흐르게 된다. 또, 그 결과로서, 나머지의 단상 부하 전류는, 메인 회로, 즉, 삼상 출력선(4)을 흐르게 된다. 또한, Y 결선된 1차측의 각 1차 코일에 흐르는 전류 Izu1, Izｖ1, Izw1는, 제조상의 오차 등에 의한 영향을 제외하면, 전단상 부하 전류 IA의 1／3의 크기가 된다.
또, 상기의 동작 설명으로부터 분명한 것처럼, 삼상 트랜스(7)의 전류 용량은, 상정되는 불평형 전류에 알맞은 것을 준비하면 좋고, 종래 기술과 비교하여, 소형화, 저비용화를 도모하는 것이 가능해진다.
또한, 도 1(또는 도 3)의 구성에서는, 단상 부하(8)로서 모든 상(U, V, W의 각 상)에 접속되는 것을 일례로서 나타냈지만, 1 내지 2개의 상에만 접속되는 단상 부하여도 상관없다.
도 4 ~ 도 6은 입력 회로(2)의 변형예를 설명하는 도면이며, 도 4, 5가 교류 가선의 경우의 일례이고, 도 6이 직류 가선의 경우의 일례이다.
교류 가선의 경우, 입력 회로(2A)로서는, 예를 들면 도 4에 도시된 바와 같이, 트랜스(21) 및 단상 컨버터(22)를 이용하여 구성할 수 있다. 또, 교류 가선의 전압이 높은 경우에는, 입력 회로(2B)로서 예를 들면 도 5에 도시된 바와 같이, 트랜스(21)의 전단(前段)에, 트랜스(23), 단상 컨버터(24) 및 단상 인버터(25)를 마련하도록 구성함으로써, 이들 2개의 단상 컨버터(22, 24)에 의해서 전압을 단계적으로 강압(降壓)하는 것이 가능해진다. 또, 직류 가선의 경우, 입력 회로(2C)로서는, 예를 들면 도 6에 도시된 바와 같이, 단상 인버터(26), 트랜스(27) 및 단상 컨버터(28)를 이용하여 구성할 수 있다.
또한, 도 4~도 6에서는, 단상 컨버터를 마련하는 구성으로 했지만, 이러한 단상 컨버터 대신에 정류 회로를 이용하여 구성해도 상관없다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 따른 차량용 보조 전원 장치에는, 삼상 인버터의 각 출력단에 접속되는 필터 리액터와, 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되지 않은 필터 콘덴서와, 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되는 1차 코일, 및 Δ형으로 결선되는 2차 코일을 구비하는 삼상 트랜스가 마련되어 있으므로, 부하로서 단상 부하가 접속되는 경우여도, 필터 기능을 담당하는 필터 콘덴서에 대해, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능을 강요하지 않는다고 하는 효과를 얻는 것이 가능해진다.
또한, 상기의 구성에 있어서, Δ형으로 결선되는 2차 코일끼리의 접속단 중 어느 1개의 접속단을 접지하는 것으로 하면, 2차 코일의 전위를 안정화하는 것이 가능해진다.
[산업상의 이용 가능성]
이상과 같이, 본 발명은 필터 기능을 담당하는 필터 콘덴서에 대해, 본래의 필터 기능에 필요한 전류 용량 이상의 성능을 강요하지 않는 차량용 보조 전원 장치로서 유용하다.
1: 차량용 보조 전원 장치
2, 2A, 2B, 2C: 입력 회로
3: 삼상(三相) 인버터
4: 삼상 출력선
5: 필터 리액터
6: 필터 콘덴서
7: 삼상 트랜스
7a1~7a3: 1차 코일
7b1~7b3: 2차 코일
8: 단상(單相) 부하
9, 20: 접속선
10: 가선
11: 집전 장치
12: 레일
13: 차륜
21, 23, 27: 트랜스
22, 24, 28: 단상 컨버터
25, 26: 단상 인버터

Claims (4)

  1. 전기차에 탑재되어, 입력된 직류 전압을 소망한 삼상 교류 전압으로 변환하여 부하의 일단측에 인가하는 삼상 인버터를 구비하는 차량용 보조 전원 장치에 있어서,
    상기 삼상 인버터의 각 출력단에 접속되는 필터 리액터와,
    상기 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지되지 않은 필터 콘덴서와,
    상기 필터 리액터의 부하측의 단에서 Y형으로 결선되고, 또한 중성점이 접지됨과 아울러 상기 중성점에 상기 부하의 타단측이 접속되는 1차 코일, 및 Δ형으로 결선되는 2차 코일을 구비하는 삼상 트랜스를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 보조 전원 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Δ형으로 결선되는 2차 코일끼리의 접속단 중 어느 1개의 접속단이 접지되는 것을 특징으로 하는 차량용 보조 전원 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기차에는, 교류 가선으로부터의 교류 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 보조 전원 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기차에는, 직류 가선으로부터의 직류 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 차량용 보조 전원 장치.
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